JPS6057230B2 - 電荷転送素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電物質を伝搬する超音波に伴う電界により
半導体表面近傍において電荷キャリヤを転送する電荷転
送素子（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅＣｈ
ａｒ■ ＴｒａｎｓｆｅｒＤｅｖｌｃｅ、以下ＳＡＷ−
ＣＴＤと略称する）に関し、詳しくは蓄積部からの電荷
キャリヤの読み出し速度が可変の電荷転送素子に関する
。

従来、情報を転送するための素子（デバイス）として
は各種のものがある。

たとえば磁気バルブ、ＢＢＤ、ＣＣＤと呼ばれるものな
どがその代表的なデバイスである。また上記のデバイス
とは異なり、圧電物質を伝搬する超音波に伴う電場によ
り半導体表面近傍において電荷キャリヤを転送するデバ
イス（すなわちＳＡＷ−Ｃ’ＩＴ）と称する）もいくつ
か知られている。しカルながら上記のいずれのデバイス
においても平面的に離れて蓄積された信号のそれぞれを
任意の間隔で読み出すことはできなかつた。 本発明の
目的は、任意の間隔て信号を読み出すことが可能な電荷
転送素子を提供することである。

また本発明の目的は外部装置の信号処理速度に適宜合わ
すことが可能な電荷転送素子を提供することである。さ
らに本発明の目的は信号のダイナミック・レンジを広く
とることができる電荷転送素子を提供することである。
また本発明の目的はプルーミング防止のできる電荷転送
素子を提供することてある。 本発明は超音波を圧電体
層に伝播させるための超音波発生部と、電荷キャリヤを
該超音波に伴う電位の谷にパンチングして半導体表面近
傍の空乏層中を転送するための転送チャネルと、転送さ
れた該電荷キャリヤの検出部と、該電荷キャリヤを該転
送チャネルからはずさないためのチャネル・ストップと
、該転送チャネル中にあるいは該転送チャネルに近傍し
て電荷キャリヤの蓄積部を有するモノリシック型電荷転
送素子において、該蓄積部のそれぞれより該転送チャネ
ルへ任意の時間間隔で電荷キャリヤを移行させるシフト
レジスタを有することを特徴とする電荷転送素子である
。

本発明に用いられる半導体、圧電体の具体的な例、空乏
層、超音波発生部、転送チャネル、チャネル・ストップ
検出部および蓄積部の定義あるいは作成方法、さらに電
荷転送素子の各種の構造については、本発明者らによつ
てすでに出願された特願昭５３−４３６４鏝および特願
昭５３−４３８６８号の両明細書の記載を用いることが
できる。そこで本発明においては上述の各事項について
は上記の明細書の記載に準するとして、ここでは特に読
み出し速度を可変させる方法を中心に説明する。ここで
シフトレジスタとは多数個の出力があり、それぞれの出
力の発生時刻を適宜変えられるものとする。以下本発明
を具体例によつて説明する。

ここではｐ型半導で電荷キャリヤが電子の場合の説明を
するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発
明はそれ以外にもたとえばｎ型半導体で電荷キャリヤが
正孔の場今にも適用することができる。その場合には本
明細書中でｐをｎにｐ＋をｎ＋に、電子を正孔に、ポテ
ンシャルの極性を逆向きに読みかえればよい。また本発
明の電荷転送素子は特願昭５３−４３８６８号明細書に
記載されたごとく各種の構造をとることが可能であり、
ここではそれらの構造のうち代表的な一例の構造につい
て説明するが、本発明はこの構造に限定されるものては
ない。第１図は本発明を用いた電荷転送素子の構造と蓄
積および転送の状態を説明するたための図である。

第１図ａは上述の電荷転送素子の平面図、第１図ｂはそ
の転送チャネルに沿つた方向で切つた断面図、第１図ｃ
はその転送チャネルに直交する方向て切つた断面図てあ
る。図面において便宜上表面には見えない部材も相対位
置を明白にするために透視図的に重ねて図示したものも
ある。図面において１０は半導体、１１は絶縁体層、１
２は圧電体層、１４は導電体層、１５は櫛型電極、１６
はバッドである。導電体層１４は転送チャネル上にあつ
て半導体１０の図において上側の表面近傍を空乏化する
ために電圧が印加される。バッド１６は櫛型電極１５に
高周波電圧を印加した場合に圧電体層１２に超音波を有
効に発生させるものである。

いま櫛型電極１５に高周波電圧を印加すると転送チャネ
ルの方向てある矢印１７の向きにも超音波が伝搬し、そ
れに伴つて電位の波１８も矢印１７の向きに伝搬する。
また１９は注入ダイオード、２０は注入ゲート、２１は
検出ゲート、２２は検出ダイオード、２３はチャネル●
ストップである。チャネル・ストップ２３は転送チャネ
ルの周囲をかこんで存在し、転送チヤｊネルから電荷キ
ャリヤをはずさないためのものであり、半導体１０の中
にある。ここで電荷キャリヤが転送される例を説明する
。

導電層１４に電圧を印加して半導体１０の表面近傍を空
乏化しておき、櫛型電極１５に高周波電圧を印加して電
位の波１８を半導体１０の空乏層を伝搬させると、空乏
層に存在する少数キャリヤは電位の波１８の谷に拘束さ
れて矢印１７の向きに転送される。具体的にはたとえば
注入ダイオード１９に電圧を印加して電荷キャリヤ２５
を発”生させ、注入ゲート２０にも電圧を印加してゲー
トを開けると転送チャネル２５は電位の波１８の谷に拘
束されて転送チャネル中を転送される。こうして転送さ
れた電荷キャリヤ２５は検出ゲート２１に電圧を印加し
て開け、検出ダイオード２２によつて検出される。次に
蓄積部について説明する。

図面において一連の電極２４は転送チャネルを形成する
圧電体層１２および導電体層１４の積層体の横にあり、
各電極の下の半導体１０の表面近傍に深い電位の領域（
ポテンシャル井戸）を形成するように個々に電圧が印加
てきるものてあり、蓄積部３０は電極２４によつて形成
される深い電位の領域てある。蓄積部３０ては転送チャ
ネル中て電荷キャリヤを拘束する電位の波の谷よりも深
く電位をかけることも浅く電位をかけることも目的によ
つて自由になしうる。第１図ｄおよび第１図ｅは蓄積状
態を説明するための図てあり、横方向は第１図ｃに対応
する位置を示し、縦方向は電位の高さを示す。圧電体層
１２と導電体層１４の位置に形成される転送チャネル部
３１と電極２４とによつて形成される蓄積部３０との間
には蓄積ゲート３２か配置されている。蓄積ゲート３２
は、その電位を変化させることによつて蓄積部３０の電
位と転送チャネル部３１の電位との相対的な大きさの関
係から電荷キャリヤ２５を蓄積部３０に閉じ込めたり（
第１図ｄ参照）、電荷キャリヤ２５を蓄積部３０から転
送チャネル部３１への電位の勾配および拡散によつて移
行させたり（第１図ｅ参照）す、るためのものである。
また蓄積ゲート３２は転送チャネル部３１を転送されて
いる電荷キャリヤ２５を蓄積部３０へ移行させないよう
にしたり、移行させるようにするために使用することも
できる。次に各蓄積部からの信号の読み出し方法につい
て説明する。第２図ａは第１図ａに対応して配置を示し
た読み出し方法を説明するための図であり、第１図の各
図には説明されていない構成はシフトレジスタ４０、キ
ャリヤ溜め部４１、出力ゲート４２および出力ダイオー
ド４３である。ここでキャリヤ溜め部とは転送されてき
たキャリヤをためておく領域であり、たとえばそのため
のゲートに電圧を印加して形成するポテンシャル井戸の
深さが超音波に伴うポテンシャルより深くすることがで
きる領域である。まｈ出力ゲートとはキャリヤの出力ダ
イオードへの出力を調節するためのゲート、第２図ｂは
シフトレジスタが制御するタイミングチャートである。
図においてシフトレジスタ４０は、たとえば一連の蓄積
ゲート３２のうちたとえば出力ゲートに近い方の蓄積ゲ
ートから順次ゲートを開く（第２図ｂにおいてＡｌ，Ａ
２，Ａ３，・・・Ａｎ参照）。このとき各蓄積部３０か
ら順次転送チャネル３１へ電荷キャリヤが移行するので
、移行した電荷キャリヤは電位の波１８の谷に拘束され
、その結果矢印１７の向きに転送されキャリヤ溜め部４
１に一時的に蓄積され（第２図ｂにおいて信号Ｂ参照）
、各蓄積部からの電荷キャリヤの転送が終了したタイミ
ングで出力ゲート４２を開くことによつて出力ダイオー
ド４３から外部装置へ出力される（第２図ｂにおいて信
号Ｃ参照）。この場合外部装置が例えばテレビジョン・
レートで信号を受信するものであれば、出力ダイオード
４３が出力する間隔をテレビジョン・レートに合わすこ
とがきる。上述のように外部装置の信号処理の速度に応
じて出力ゲート４２を開閉すればよく、そのためにはキ
ャリヤ溜め部４１に各蓄積部からの信号としての電荷キ
ャリヤが積分された状態で一時的に蓄積部されるように
各蓄積部の蓄積ゲートを順次開閉すればよい。この各蓄
積部の蓄積ゲートを開閉するタイミングは外部回路の必
要とする時間間隔と超音波に従う電位の波の伝播する速
度と各蓄積部間の距離によつて適宜設定すればよい。各
蓄積部からのキャリヤ溜め部までは距離が異なるのでも
し一定の時間間隔て順次各蓄積部の蓄積ゲートを開閉す
るとキャリヤ溜め部に到達する信号の間隔は厳密には少
しずつ変つてしまうが、それらは各出力ゲートが閉じて
いる時間中に信号が積分されれば実用上さしつかえない
。各蓄積部の間隔が一定でなくても一定の時間間隔で信
号を出力させることも、一定の間隔の蓄積部からの各信
号を時間的に不等間隔て信号として出力することもシフ
トレジスタ４０によつて蓄積ゲート３２あるいは出力ゲ
ート４２のタイミングの設定によつて自由に実現するこ
とができる。各蓄積部の信号（電荷キャリヤ）を一つの
電位の波（一波長分）にのみ拘束する必要がなく、多数
の電位の波に拘束して転送するのでブルーミングも少く
ダイナミックレンジを大きくとることができる。また各
蓄積部の信号をキャリヤ溜め部４１に完全に蓄積してか
ら外部へ出力するので信号処理が容易になる。以上、キ
ャリヤ溜めを用いるものについて説明したが、本発明は
キャリヤ溜めのないものであつてもよい。

さらに蓄積部３０は転送チャネル３１の横にあるもので
あつたが、蓄積部３０は転送チャネル３１中にあるもの
であつても本発明は有効であることは言うまでもない。
また蓄積部３０は光電変換機構を有するものであつたが
、蓄積部３０は光電変換素子とは同一場所ではなく光電
変換”素子をそこで発生した電荷キャリヤが電位勾配と
拡散とによつて蓄積部３０へ移行させるべく近接して配
置されていてもよい。これらの電荷転送素子において蓄
積および転送の作用をさせるためには転送チャネル部、
蓄積部、蓄積ゲート部、光電変換部などの電位の相対関
係を変化させ、電位勾配および拡散によつて電荷キャリ
ヤを拘束状態から移行させるようにすればよい。

その様な方法としては上述の方法以外に多くの方法があ
る。蓄積ゲー１〜があるので任意のノ蓄積部から任意の
順序で読み出すことができることも説明するまでもない
。なお読み出すタイミングの特別の場合としてはすべて
の蓄積ゲートを同時に開けることも可能てある。上述の
説明では一次元に配列された蓄積部からの電荷キャリヤ
を読み出す場合についてその読み出し速度を自由に変化
さ什うる方法を説明したが、光電変換素子が二次元的に
配列された蓄積部の場合には、一列ずつ順次読み出して
一連の時系列信号とすることができる。

たとえばＸＹ方向に二次元に光電変換素子の配列された
撮像素子においては、ＣＣＤの撮像素子の場合のごとく
ｘ方向に一行ずつ転送された信号を順次Ｙ方向へ転送す
ればよく、このＹ方向の転送にはＣＣＤを用いてもよい
が、ここにもＳＡＷ−ＣＴＤを用いてもよい。それらの
構成は上述の一次元の場合の説明とまつたく同じであり
、一行分の信号の列が上述の各蓄積部に時系列的に存在
していると考えれはよい。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明電荷転送素子の平面図、第１図ｂはそ
の転送チャネルに沿つた断面図と電荷キャリヤの転送を
説明するための図、第１図ｃはその転送チャネルと直交
する方向の断面図、第１図ｄおよびｅは電荷キャリヤの
蓄積および転送チャネルへの移行を説明するための図。 第２図ａは読み出し方法を説明するための図、第２図ｂ
は読み出しのタイミング●チャート。図面において、１
０・・・半導体、１１・・・絶縁体層、１２・・・圧電
体層、１４・・・導電体層、１５″・・櫛型電極、１７
・・・超音波の進行方向、１８・・・電位の波、１９・
・・注入ダイオード、２０・・・注入ゲート、２１・・
・検出ゲート、２２・・・検出ダイオード、２３・・・
チャネル・ストップ、２４・・・電極、２５・・電荷キ
ャリヤ、３０・・・蓄積部、３１・・・転送チャネル部
、３２・・・蓄積ゲート、４０・・・シフトレジスタ、
４１・・・キャリヤ溜め部、４２・・・出力ゲート、４
３・・・出力ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波を圧電体層に伝播させるための超音波発生部
   と、電荷キャリヤを該超音波に伴う電位の谷にバンチン
   グして半導体表面近傍の空乏層中を転送するための転送
   チャネルと、転送された該電荷キャリヤの検出部と、該
   電荷キャリヤを該転送チャネルからはずさないためのチ
   ャネル・ストップと、該転送チャネル中に電荷キャリヤ
   の蓄積部を有するモノリシック型電荷転送素子において
   、該蓄積部のそれぞれより該転送チヤネルへ任意の時間
   間隔で電荷キャリヤを移行させるシフトレジスタを有す
   ることを特徴とする電荷転送素子。